Г л а в аIi буровые долота § 1. Назначение и классификация

Долото — буровой инструмент для механического разрушения горных пород на забое скважины в процессе ее проходки.

По характеру воздействия на породу долота можно классифицировать следующим образом.

1. Долота режуще-скалывающие — лопастные долота (рис.22), предназначенные для разбуривания вязких и пластичных пород небольшой твердости (вязких глин, малопрочных глинистых сланцев и др.) и малой абразивности.

Рис. 22. Двухлопастное долото

2. Долота дробяще-скалывающего действия — шарошечные долота (рис. 23), предназначенные для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких.

3. Долота режуще-истирающего действия — долота с алмазными и твердосплавными породоразрушающими вставками. Предназначены они для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже малоабразивными твердыми.

По назначению буровые долота подразделяются на три вида:

1) долота, разрушающие горную породу сплошным забоем;

2) долота, разрушающие горную породу кольцевым забоем (колонковые долота);

3) долота специального назначения.

Долота для сплошного и колонкового бурения предназначены для углубления скважины, а. специального назначения — для работы в пробуренной скважине (расширение и выравнивание ствола скважины) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня).

Как для сплошного, так и для колонкового бурения созданы долота, позволяющие разрушать горную породу по любому из перечисленных выше принципов. Это облегчает подбор типа долота в соответствии с физико-механическими свойствами данной горной породы. Выпускаются долота диаметром от 46 до 580 мм.

Рис. 23. Трехшарошечные долота: а — для пород средней твердости (типа С) с клиновидными выфрезерованными зубцами; б — для твердых абразивных пород при продувке скважины воздухом (тип ТЗП) с запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами с клиновидной породоразрушающей поверхностью; в — для крепких пород (типа К) с запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами со сферической породоразрушающей поверхностью

§ 2. Долота для сплошного бурения

Лопастные долота

По числу лопастей лопастные долота разделяются на двухлопастные долота (типа 2Л) и трехлопастные (типа ЗЛ). В верхней части долота имеется муфта с присоединительной резьбой и двумя или тремя лопастями, расположенными по отношению друг к другу под углом соответственно 180° и 120°. Двухлопастные долота изготовляются цельноковаными, а трехлопастные— сварными. Штампованные лопасти у трехлопастных долот приваривают к цельнокованым корпусам по всему контуру касания.

По принципу разрушения породы лопастные долота относятся к долотам режуще-скалывающего действия, так как под влиянием нагрузки на забой их лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента — скалывают ее. Для увеличения износостойкости лопасти армируют твердыми сплавами. Наиболее сильно армируют периферийные участки и боковые поверхности лопастей, так как они выполняют наибольший объем работы по разрушению породы.

Долота имеют специальные отверстия, через которые промывочная жидкость из бурильной колонны направляется к забою скважины. Отверстия эти (два у двухлопастных и три у трехлопастных долот) расположены так, что выходящие из них струи жидкости, отклоняясь несколько вперед от плоскостей лопастей, ударяются о забой на расстоянии ²/₃ радиуса долота.

Для эффективного разрушения породы и очистки забоя от выбуренных частиц породы скорость истечения жидкости из промывочных отверстий должна быть не менее 80—120 м/с. При такой скорости струй стенки отверстий, просверленных в стальном корпусе долота, подвергаются быстрому эрозионному и абразивному износу. Во избежание этого в отверстия вставляются сменные насадки, изготовленные из твердого сплава. Для уменьшения гидравлических сопротивлений кромки отверстий в насадках на входе сглаживают, а само сечение плавно сужают к выходу. Вставляют насадки в отверстия долота с помощью маслонефте-стойких уплотнительных резиновых колец, обеспечивающих герметичность пространства за насадкой. Во избежание сильного рассеивания энергии струй жидкости насадки устанавливают с максимальным приближением к поверхности забоя.

Шарошечные долота

Шарошечные долота успешно применяются при вращательном бурении пород самых разнообразных физико-механических свойств с промывкой забоя любой промывочной жидкостью .и с продувкой забоя воздухом. Созданы конструкции шарошечных долот с одной, двумя, тремя, четырьмя и даже с шестью шарошками. Однако наиболее распространены трехшарошечные долота, некоторые типы которых приведены на рис. 23. Из шарошечных долот других типов в настоящее время применяют од-ношарошечные (рис. 24).

Трехшарошечные долота выпускаются в основном секционные (рис. 25), изготовляемые путем сварки трех кованых сек-

	Рис. 24. Одношарошечное долото
	Рис. 25. Секционное гидромониторное трехшарошечное долото: I — присоединительная резьба; 2 — промывочное отверстие; 3 — секция долота; 4 — шарошка; 5 — цапфа; 6 — роликовый подшипник; 7 — шариковый подшипник

ций 3, на цапфах 5 которых вращаются на подшипниках 6 и 7 шарошки 4, оснащенные породоразрушающими элементами — зубцами. На верхнем конце долота после сварки секций нарезается наружная присоединительная резьба /. Для подачи циркулирующего агента на забой в корпусе предусмотрены промывочные отверстия 2.

В зависимости от физико-механических свойств горных пород трехшарошечные долота выпускают следующих типов (табл. 2).

Долота различных типов отличаются друг от друга конструкцией шарошек и подшипников, конструкцией зубцов и шагом между ними, утлом наклона оси шарошки к оси долота и конструкцией промывочных отверстий.

Трехшарошечные долота изготовляют с одно-, двух-, трех-и четырехконусными шарошками. При вращении долота по часовой стрелке шарошки, перекатываясь по забою против часовой стрелки, совершают сложное вращательное движение. В результате зубцы шарошек наносят удары по породе, дробят и скалывают ее. Поэтому шарошечные долота по принципу разрушения породы относятся к долотам дробяще-скалывающего действия.

Т а бл иц а 2 Типы трехшарошечных долот и их назначение

Тип долота	Горные породы, для разбуривания которых предназначены долота
М	Самые мягкие, несцементированные, пластичные (наносы, мягкие и вязкие глины, сланцы, мягкие известняки)
МЗ	Мягкие, слабосцементированные абразивные (песчаники, мергели)
МС	Мягкие, неабразивные с пропластками пород средней твердости (мел с пропластками слабосцементированных песчаников, каменная соль с пропластками ангидритов, глинистые сланцы)
МСЗ	Мягкие, слабосцементированные абразивные с пропластками пород средней твердости (песчано-глинистые слайды, плотные глины с пропластками песчаников)
С	Пластичные и хрупкопластичные неабразивные породы средней твердости (плотные глины, глинистые сланцы, известняки средней твердости)
сз	Абразивные средней твердости (песчаники, песчанистые сланцы)
ст	Хрупкопластичные средней твердости с пропластками твердых пород (песчаники с пропластками гипса, известняки с пропластками гипса, ангидриты)
т	Твердые, неабразивные (твердые известняки, доломиты, до-ломитизированные известняки)
тз	Твердые абразивные (окварцованные известняки и доломиты)
тк	Твердые с пропластками крепких (твердые известняки с пропластками мелкокристаллических известняков и доломитов)
ткз	Абразивные твердые с пропластками крепких (окремнелые аргиллиты, твердые известняки и доломиты, мелкозернистые сильно сцементированные песчаники)
к	Крепкие (окремнелые мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты)
ок	Очень крепкие (граниты, кварциты, диабазы)

В зависимости от пород, для бурения которых предназначается долото, шарошки имеют различные породоразрушающие элементы — зубцы, изготовляемые либо вместе с телом шарошки путем фрезерования или накатки, либо отдельно из специальных твердых сплавов. Последние имеют клиновидную или сферическую контактную поверхность и запрессовываются в гнезда, высверленные в теле шарошки.

Шарошки долот типов М, МС, С, СТ и Т имеют фрезерованные или накатанные зубцы, высота и шаг которых уменьшаются, а угол при вершине зубца увеличивается от долот типа М к долотам типа Т.

На всех шарошках породоразрушающие элементы располагаются, как правило, концентрическими венцами. Число венцов у шарошек долот типа М наименьшее, а у долот типа Т — наибольшее. Делается это для усиления дробящего воздействия долота на более твердую породу.

Поскольку периферийные венцы трех шарошек поражают один и тот же участок забоя, форма и расположение зубцов на них у каждой шарошки приняты с учетом этой особенности работы долота. Так, если периферийный венец у одной шарошки имеет обычные призматические зубцы, то у другой шарошки он может быть оснащен призматическими, но менее широкими зубцами, расположенными в шахматном порядке. Так как грани зубцов, обращенные к стенке скважины, подвержены абразивному износу, некоторые заводы зубцы на периферийных венцах выполняют Г-образной, Т-образной или П-образной формы.

Шарошки долота типа ТК имеют на внутренних венцах фрезерованные или накатанные призматические зубцы, а на периферийных венцах — зубцы из твердого сплава со сферической породоразрушающей поверхностью.

Шарошки долот типов К и ОК имеют на всех венцах зубцы из твердого сплава со сферической породоразрушающей поверхностью.

Шарошки долот типов МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ и ТКЗ, предназначенные для бурения пород, обладающих абразивными свойствами, оснащены запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами, имеющими клиновидную породоразрушаю-щую поверхность. Число венцов и клиновидных зубцов в каждом венце выбирается в зависимости от твердости породы, для которой предназначено долото (у долот типа МЗ наименьшее, а у долот типа ТКЗ наибольшее).

Один из основных узлов шарошечного долота — опора шарошек, вращающихся вокруг цапф. При работе долота на забое опоры воспринимают при высокой частоте вращения шарошек

Рис. 26. Опоры трехшарошечных долот: /, II, III — ряды подшипников

значительную нагрузку от бурильной колонны и сил реакции забоя и стенки скважины. Поэтому опора должна иметь подшипники, воспринимающие как радиальную, так и осевую составляющие действующей на нее нагрузки.

Многообразие типоразмеров долот (см. табл. 2), предназначенных для бурения различных пород при разных нагрузках на забой и частотах вращения долота, обусловило создание многих схем опор шарошек. Однако наиболее распространены схемы, приведенные на рис. 26. Как видим, опоры различаются различным сочетанием подшипников: качения (шариковых и роликовых) и скольжения (шарошки по цапфе). При этом в каждой схеме предусмотрен шариковый подшипник, называемый замковым, так как он не только воспринимает усилия, направленные вдоль и перпендикулярно оси цапфы, но и удерживает шарошку на цапфе. Для этого после закладывания необходимого числа шариков через отверстия в цапфе (на рис. 25 и 26 показано пунктиром) пальцем 2 (рис. 27) отверстие это закрывают, а палец приваривают к телу цапфы /.

Рис. 27. Цапфа / и палец 2 трехшарошечного долота

Выбор типов подшипников определяется требуемыми нагрузками на забой, частотами вращения долота и размерами шарошек.

При бурении мягких пород и пород средней твердости требуется сравнительно небольшая нагрузка на забой и повышенная частота вращения долота, что создает условия для применения в /,и /// рядах шариковых подшипников (см. рис. 26, а).

При бурении в твердых породах нагрузку на забой увеличивают, а частоту вращения долота уменьшают, и поэтому предпочтительнее применение более надежных роликовых (/ ряд на рис. -26, б или / и /// ряды на рис. 26, в) вместо шариковых подшипников.

При бурении в крепких и очень крепких породах нагрузку на забой еще более увеличивают, а частоту вращения долота уменьшают до минимально возможного значения. В этих условиях более эффективно применение подшипников скольжения в / и /// рядах (см. рис. 26, д) и подшипника скольжения на вершине цапфы (ряд IV на рис. 26,г).

В рассмотренных схемах опор трехшарошечных долот подшипники смазываются промывочной жидкостью, содержащей выбуренные частицы породы, что значительно снижает их работоспособность и долговечность. Поэтому в последние годы трех-шарошечные долота с открытой опорой постепенно заменяются долотами с герметизированной опорой, принципиальная схема устройства которой приведена на рис. 28. Проникновению промывочной жидкости в полость такой опоры препятствует жесткий уплотнительный манжет /. Смазка, помещаемая в лапах долота, изолируется от внешней среды эластичным колпаком 2.

При бурении с продувкой скважины воздухом условия работы подшипников шарошек значительно ухудшаются вследствие недостаточного теплоотвода от трущихся деталей. Поэтому в долотах, предназначенных для бурения с продувкой воздухом, часть воздуха по специальным каналам в лапах и цапфах направляется в опоры шарошек (рис. 29).

Эффективность работы трехшарошечных долот в значительной степени зависит от степени очистки забоя скважины промывочной жидкостью. Поэтому нельзя допускать скопления выбуренной породы под долотом и перемалывания ее породоразрушающими элементами. Необходимо, чтобы разрушенная порода немедленно удалялась с забоя скважины, что достигается не только подачей к забою достаточного количества промывочной жидкости хорошего качества, но и применением рациональных конструкций и схем расположения промывочных отверстий в долоте.

Изготовляют долота с одним (у долот малого диаметра) и тремя промывочными отверстиями. В первом случае отверстие располагают в центре долота и в него устанавливают сменную втулку с максимальным приближением ее кромки к шарошкам. Во втором случае три отверстия располагают наклонно к оси

	Рис. 28. Схема лапы трехшарошечного долота с герметизированной опорой: 1 — уплотнительный манжет; 2 — эластичный колпак
	Рис. 29. Лапа трехшарошечного долота для бурения с продувкой скважины воздухом

долота так, чтобы они направляли промывочную жидкость на шарошки (см. рис. 25) или к периферии долота между шарошками. Для создания эффективного процесса, разрушения горной породы в промывочные отверстия, как и у лопастных долот, вставляют насадки и создают скорость истечения струй жидкости из них не менее 80—120 м/с. Долота с такими насадками называются гидромониторными.

Тяжелые условия работы шарошечных долот обусловливают применение для их изготовления высококачественных сталей с последующей химико-термической обработкой наиболее ответственных и быстроизнашивающихся деталей (зубцов, рабочих поверхностей цапф и шарошек).

Для повышения износостойкости зубцы и тыльная часть шарошек армируются зернистым твердым сплавом из литых карбидов вольфрама.

Алмазные долота

Алмазные долота применяются при бурении неабразивных и малоабразивных пород средней твердости и твердых, а также при бурении нижних интервалов глубоких скважин, где их высокая стоимость компенсируется долговечностью и, следовательно, снижением затрат времени на спуско-подъемные операции. В СССР выпускаются алмазные долота двух типов: спиральные— для турбинного бурения (рис. 30, а) и радиальные — для роторного бурения (рис. 30,6).

Алмазные долота состоят из фасонной алмазонесущей головки (матрицы) / и стального корпуса 2 с присоединительной замковой резьбой 3. Головку изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в прессформе по заданной схеме размещают кристаллики технических алмазов. После прессования и спекания алмазики оказываются надежно закрепленными в наружном слое головки.

Рис. 30. Алмазные долота для сплошного бурения / — алмазная несущая головка; 2 — корпус; 3 — резьба; 4 — контактный сектор; 5 — канал для направления жидкости

Применяя для изготовления матрицы, образовавшейся при спекании смеси, различные материалы, добиваются необходимой степени обнажения алмазов во время работы долота.

При бурении твердых пород износ матрицы интенсивнее, поэтому матрица должна быть более износостойкой, что предотвратит излишнее обнажение алмазов. В породах средней твердости материал матрицы изнашивается менее и поэтому матрица должна быть меньшей износостойкости.

Регулируя степень обнажения алмазов, обеспечивают также сохранение во время работы долота на забое определенного зазора между матрицей и породой. В результате промывочная жидкость, выйдя из промывочных отверстий долота, имеет возможность пройти по зазору между матрицей и забоем скважины, захватить мельчайшие частицы выбуренной породы, направить их в радиальные или радиально-спиральные каналы 5, имеющиеся между контактными секторами 4, и далее в затруб-ное пространство.

Твердосплавные долота

Наряду с долотами, армированными естественными алмазами, при бурении глубоких скважин в последние годы получили применение долота, армированные сверхтвердыми сплавами,

Хорошие результаты, особенно при бурении с забойными двигателями в породах средней твердости, дают долота, армированные зернистым твердым сплавом и зубцами, выполненными из твердого сплава «славутич» (рис. 31). Промывочная жидкость в таких долотах подается к забою скважины по шести промывочным отверстиям, обеспечивая хорошую очистку забоя от выбуренной породы и охлаждение контактных секторов.

Опыт проходки глубоких нефтяных и газовых скважин показал, что одним алмазным долотом ^можно пробурить до 240— 300 м при непрерывном бурении в течение 150—200 ч. Таким образом, одним алмазным долотом можно заменить 15—20 шарошечных долот.